(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオンを一方の面から他方の面へ移動させて、前記他方の面で酸素と反応させる発電層部材と、
側面側から取り込んだ大気中の酸素を拡散させて前記他方の面に供給する酸素供給層と、
前記酸素供給層と連通し、少なくとも前記酸素供給層を隔てて前記発電層部材に対向配置され、その一部が大気に接している吸水層と、
前記酸素供給層と前記発電層部材との間に配置されて、前記酸素供給層側と前記発電層部材側とを連通する多数の貫通孔が形成された拡散層と、を備え、
前記吸水層の液体水を保持する安定性が前記酸素供給層の液体水を保持する安定性よりも高く、
前記拡散層の組織の平均開口径が前記酸素供給層の組織の平均開口径より小さくて前記発電層部材の組織の平均開口径より大きいことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記酸素供給層は、前記発電層部材と前記吸水層とを連通する方向の通気性が、前記発電層部材の表面に沿った方向の通気性よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
酸素を取り込む前記側面側に近い平面位置の前記吸水層は、酸素を取り込む前記側面側から遠い平面位置の前記吸水層よりも液体水を保持する前記安定性が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記吸水層の親水性が前記酸素供給層の親水性よりも高く、
前記吸水層が親水性の異なる複数の領域からなり、前記複数の領域のうち酸素を取り込む前記側面側に近い領域ほど前記吸水層の親水性が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記燃料電池セルの除熱と集電を兼ねて隣接する燃料電池セルとの間を仕切る集電体を備え、
前記集電体と前記酸素供給層との間に前記吸水層が配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記酸素供給層が前記集電体側の表面に溝を有し、該溝に前記吸水層の少なくとも一部が存在することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記酸素供給層が前記発電層部材の厚み方向と平行な方向を深さ方向とする複数の孔を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記酸素供給層と連通し、液体水を保持する安定性が前記酸素供給層よりも高い吸水層が前記孔に存在することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。
【請求項９】
前記酸素供給層と前記集電体との間に存在する吸水層と前記孔に存在する吸水層とが連結していることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池セル。
【請求項１０】
前記孔に存在する前記吸水層が前記拡散層と接していないことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池セル。
【請求項１１】
前記集電体の端部が、酸素を取り込む側面の平面を基準として前記燃料電池セルとは反対側に存在し、
前記集電体のうち前記反対側に存在する領域の少なくとも一部が前記吸水層と接していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
【請求項１２】
前記集電体がくし型形状をなしていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池セル。
【請求項１３】
酸素を取り込む側面から前記発電層部材への酸素供給は、前記酸素供給層を通じた酸素の自然拡散に依存することを特徴とする請求項１乃至１２いずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項１４】
燃料電池スタックを有する燃料電池であって、
前記燃料電池スタックが複数の燃料電池セルからなり、
前記燃料電池セルが請求項１乃至１３いずれか１項に記載の燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電層部材に対する酸素の供給経路と発電層部材が生成した水分子の排出経路とを兼ねる酸素供給層を備えた燃料電池セルおよび燃料電池に関する。詳しくは、発電層部材から不要な液体水を効率的に除去できる燃料電池セルおよび該燃料電池セルを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電層部材の一方の面側に密封された燃料ガス供給空間を配置し、発電層部材の他方の面側に酸素供給層を備えた燃料電池が実用化されている。発電層部材は、燃料ガス供給空間から水素イオンを取り込み、酸素供給層側の面で水素イオンを酸素と反応させて発電を行う。酸素供給層は、発電層部材の表面に必要な量の酸素を供給する供給経路であるとともに、発電層部材で生成された水分子を運び出す拡散（または強制排出）経路でもある。
【０００３】
特許文献１には、発電層部材を有する燃料電池セルを積み重ねて直列に接続した燃料電池が示される。燃料電池セルごとの側面の開口を通じて大気中の酸素が取り込まれ、同じ開口を通じて酸素供給層の水分を大気中に蒸発拡散させている。
【０００４】
発電層部材には、高分子電解質膜の両面に多孔質導電性の触媒層を形成した膜電極接合体が採用され、三次元の通気性を有する板状の酸素供給層における前記開口に臨む側面側が大気に開放されている。酸素供給層の側面側から取り入れられた酸素は、酸素供給層の中を三次元的に拡散して、酸素供給層の片方の底面を通じて膜電極接合体の全面に供給される。膜電極接合体で生成された水分子は、水蒸気として酸素供給層へ取り込まれ、水蒸気の濃度勾配に従って側面側へ移動して、前記開口を通じて大気中へ拡散する。
【０００５】
特許文献２には、酸素供給層の一方の側面側から他方の側面側へ強制的に大気を送り込んで貫流させる燃料電池が示される。ここでは、燃料電池セルの対向する側面を貫通させた溝状の空気流路が形成されたセパレータが酸素供給層に重ねて配置されている。そして、空気流路に接する酸素供給層の組織密度を厚さ方向に変化させ、空気流路に接する表面層と膜電極接合体に接する表面層との組織密度を中間層よりも高くして、中間層の保水性を高めている。
【０００６】
特許文献３には、発電層部材に重ねて配置した酸素拡散層の高分子電解質膜側の面に触媒層を形成した燃料電池が示される。そして、酸素拡散層における酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行っている。酸素拡散層を厚み方向に貫通させて口径１００μｍ以下の無数の貫通孔が４００個／ｍｍ２の密度で形成されて、厚み方向の拡散性能が高められている。高分子電解質膜側から反対側の面へ向かって断面積が増える貫通孔（円錐状）は、酸素や水蒸気の通過抵抗を下げつつ、高分子電解質膜側の接触面積と酸素拡散層の強度とを高めている。
【０００７】
特許文献４には、酸素極に吸水性材料を配備し、その毛管現象を利用して水を吸出し、フラッディングを抑制する燃料電池が公開されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６４２３４３７号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４６０７号公報
【特許文献３】特開２００２−１１０１８２号公報
【特許文献４】特開２００５−３５３６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
機器と一体に持ち運ばれる燃料電池は、酸素供給層を通じた酸素の供給と水蒸気の排出とを自然拡散に頼って受動的に行うことが望ましい。そのような燃料電池は、起動に際して外部からの電力供給が不要であることが望ましく、大気の循環機構やブロアーは部品点数を増やして、燃料電池の小型化軽量化に反するからである。特許文献２に示される燃料電池は、そのような大気の循環機構やブロアーを前提としたものである。
【００１０】
しかし、酸素供給層における酸素の供給と水蒸気の排出とを全くの自然拡散に頼る場合、酸素と水蒸気との移動方向は全く逆方向なので、燃料電池の出力電流が増大して水蒸気の排出量が増えると酸素の供給が妨げられる可能性がある。特に、燃料電池セルを積み重ねて燃料電池セルの側面側の開口を通じて水蒸気を排出させる場合、開口から遠い部分では開口へ向かう水蒸気の流れに妨げられて酸素が届きにくくなる。
【００１１】
発電層部材への酸素供給が妨げられると起電力が低下して燃料電池セルの発電効率が低下する。発電効率が低下した結果、発熱量が増えて一段の温度上昇を引き起すと、酸素供給層における水蒸気分圧が高まって酸素分圧が低下し、発電層部材に対する酸素供給がますます妨げられる。
【００１２】
また、酸素供給層の水蒸気分圧が高まると、発電層部材の界面での生成水の蒸発が阻害されて液体水が滞留し、界面が局所的に液体水で覆われて水没（フラッディング）する。水没した部分では酸素供給が途絶えて発電が停止するので、水没していない部分での電流密度が高まって燃料電池セルの起電力が低下する。そして、そのまま運転を継続すると、電流密度の高まった領域に水没領域が広がって発電層部材の全面水没に至り、燃料電池セルの発電が全停止する可能性がある。
【００１３】
したがって、酸素供給層に大気を強制循環させて水蒸気を強制排出する能動型に比較して、自然拡散に頼る受動型では、発電層部材の単位表面積あたりの電流値を極端に小さく設定する必要がある。単位表面積あたりの電流値を極端に小さく設定すると、発電層部材の面積が増えて発電部が大型化し、かえって能動型よりも燃料電池が大型化する可能性すらある。
【００１４】
特許文献２に示される燃料電池は、発電層部材に接する酸素供給層の表面層の密度を中間層よりも高めることで、発電層部材の界面の液体水を効率的に中間層に吸い上げて気化拡散させている。しかし、中間層に供給された水蒸気は、密度を高めた反対側の表面層を通じて排出されるまで、中間層に滞留して中間層を通じた酸素の拡散と発電層部材への供給とを妨げてしまう。そして、中間層部材に水分を積極的に滞留させるための表面層は、中間層の水蒸気圧を高めて酸素が発電層部材へ届きにくくしている。
【００１５】
特許文献３に示される燃料電池は、自然拡散に頼る受動型を前提として、発電層部材から酸素供給層への水分排出性能を高めている。しかし、酸素供給層に取り込まれた水分は、水蒸気の自然拡散によって酸素供給層内を酸素と逆方向に移動することに変わりはない。つまり、酸素供給層の水蒸気分圧を下げて、発電層部材の生成水の蒸発を容易にすることもなく、また、酸素供給層を通じた酸素の移動／拡散を容易にすることもない。
【００１６】
特許文献４に示される燃料電池では、吸水性材料が触媒を囲む構造であるため、触媒部分が小さくならざるを得ず、十分な性能を発揮するのが困難である。
【００１７】
本発明は、排水性が高く、高い発電効率を安定して維持でき、小型軽量でも高出力を実現できる燃料電池セルおよび燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の燃料電池セルは、水素イオンを一方の面から他方の面へ移動させて、前記他方の面で酸素と反応させる発電層部材と、側面側から取り込んだ大気中の酸素を拡散させて前記他方の面に供給する酸素供給層と、前記酸素供給層と連通し、少なくとも前記酸素供給層を隔てて前記発電層部材に対向配置され、その一部が大気に接している吸水層と、前記酸素供給層と前記発電層部材との間に配置されて、前記酸素供給層側と前記発電層部材側とを連通する多数の貫通孔が形成された拡散層と、を備えるものである。そして、前記吸水層の液体水を保持する安定性が前記酸素供給層の液体水を保持する安定性よりも高く、前記拡散層の組織の平均開口径が前記酸素供給層の組織の平均開口径より小さくて前記発電層部材の組織の平均開口径より大きい。
【００１９】
本発明の燃料電池セルでは、前記吸水層は、前記酸素供給層とは材料が異なるシート状の部材であって、前記吸水層の材料は、前記酸素供給層の材料よりも親水性が高いことが好ましい。
【００２０】
本発明の燃料電池セルでは、前記酸素供給層は、前記発電層部材と前記吸水層とを連通する方向の通気性が、前記発電層部材の表面に沿った方向よりも高いことが好ましい。
【００２２】
本発明の燃料電池セルでは、前記吸水層の少なくとも一部が、前記酸素供給層の外側で直接大気に開放されていることが好ましい。
【００２３】
本発明の燃料電池セルでは、酸素を取り込む前記側面側に近い平面位置の前記吸水層は、酸素を取り込む前記側面側から遠い平面位置よりも液体水を保持する前記安定性が高いことが好ましい。
【００２４】
本発明の燃料電池セルでは、酸素を取り込む前記側面側から前記発電層部材への酸素供給は、前記酸素供給層を通じた酸素の自然拡散に依存することが好ましい。
【００２５】
別発明の燃料電池セルは、電解質膜と、触媒層と、二つの拡散層と、燃料供給層と、酸素供給層と、吸水層と、集電体とからなるものである。そして、前記燃料電池セルが有する側面のうち前記電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面の少なくとも一部に開口部を有し、前記吸水層が前記酸素供給層と前記集電体との間に存在し、前記吸水層の端部が前記開口部を含む平面に存在するもしくは前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セルと反対側に存在する。
【００２６】
別発明の燃料電池セルでは、前記吸水層が親水性の異なる複数の領域からなり、前記複数の領域のうち前記開口部に近い領域ほど親水性が高いことが好ましい。
【００２７】
別発明の燃料電池セルでは、前記酸素供給層が前記集電体側の表面に溝を有し、該溝に前記吸水層の少なくとも一部が存在することが好ましい。
【００２８】
別発明の燃料電池セルでは、前記酸素供給層が前記プロトン伝導方向と平行な方向を深さ方向とする複数の孔を有することが好ましい。
【００２９】
別発明の燃料電池セルでは、前記孔に吸水層が存在することが好ましい。この場合、前記酸素供給層と前記集電体との間に存在する吸水層と前記孔に存在する吸水層とが連結していることが好ましい。
【００３０】
別発明の燃料電池セルでは、前記吸水層が前記拡散層と接していないことが好ましい。
【００３１】
別発明の燃料電池セルでは、前記集電体の端部が前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セルとは反対側に存在し、前記集電体のうち前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セルとは反対側に存在する領域の少なくとも一部が前記吸水層と接していることが望ましい。
【００３２】
別発明の燃料電池セルでは、前記集電体がくし型形状をなしていることが望ましい。
【００３３】
本発明の燃料電池は、燃料電池スタックを有するものである。そして、前記燃料電池スタックが複数の燃料電池セルからなり、前記燃料電池セルは、上記本発明、別発明、またはそれぞれの好ましい態様の燃料電池セルである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の燃料電池セルは、発電に伴って発生した生成水を、強制的、能動的な手法に頼ることなく、容易に酸素供給層から排出するとともに、高電流値であっても、高い発電効率を安定して維持できる。したがって、このような燃料電池セルを用いて、小型軽量でも高出力を実現できる燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の燃料電池セルおよび燃料電池の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の燃料電池セルおよび燃料電池は、以下に説明する具体的な構成には限定されない。膜電極接合体（発電層部材）と、酸素供給層と、吸水層と、燃料供給層とを少なくとも備えた燃料電池セルにおいて、その構成の一部または全部を、代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００３６】
なお、本実施形態の燃料電池セルおよび燃料電池では、燃料タンクに貯蔵した燃料ガスを用いて発電を行うが、燃料タンクに水素原子を含むメタノール等の液体燃料を貯蔵して、刻々必要なだけ燃料ガスに改質反応させて用いてもよい。
【００３７】
また、本実施形態の燃料電池は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な電子機器に使用することが可能である。このような場合、着脱可能に装備される独立した燃料電池として使用することも可能であるし、電子機器に燃料電池の発電部だけを一体に組み込んで、燃料タンクを着脱させる形式とすることも可能である。
【００３８】
本発明の実施形態は以下の通りである。
【００３９】
第１実施形態は、酸素供給層と集電体との間に発電層部材に対向配置させた吸水層を有し、かつ、吸水層の端部が開口部を含む平面上に存在する構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４０】
第２実施形態は、酸素供給層と集電体との間に吸水層を有し、かつ、開口部と同一平面を基準として燃料電池セルとは反対側に吸水層の端部を有する構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４１】
第３実施形態は、第２実施形態における吸水層が親水性の異なる複数の領域からなり、前記複数の領域のうち開口部に近い領域ほど親水性が高い構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４２】
第４実施形態は、第２実施形態における酸素供給層が多数の貫通孔を有するために厚み方向の通気性が高い構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４３】
第５実施形態は、第２実施形態における酸素供給層が溝および孔を有し、該溝および該孔に吸水層が存在する構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４４】
第６実施形態は、第２実施形態において、酸素供給層と接する集電体も開口部を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に端部を有する構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４５】
第７実施形態は、第６実施形態において、集電体のうち開口部を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に存在する部分がくし型形状である構成の燃料電池セルおよび該燃料電池セルからなる燃料電池である。
【００４６】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池の全体構成を示す斜視図であり、図２は前記燃料電池を構成する燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。図３は膜電極接合体を開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図であり、図４は吸水層が複数である場合の燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。図５は吸水層が複数である場合の吸水層および酸素供給層に集電体側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。図６は前記燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【００４７】
また、これらの断面図は、燃料電池セルの各層の配置を模式的に示したものであって、積層された各層の区別を容易にするため、平面方向に比較して厚み方向を誇張して図示している。
【００４８】
図１に示すように、燃料電池１０は、燃料電池セル（発電セル）１０Ｓを積み重ねて直列に接続したセルスタック（燃料電池スタック）１０Ａを備える。セルスタック１０Ａの下方には、燃料ガスを貯蔵して燃料電池セル１０Ｓに供給する燃料タンク１０Ｂが存在し、セルスタック１０Ａと燃料タンク１０Ｂとは、燃料ガスの流路（図示せず）によって接続されている。燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、大気圧よりわずかに高い圧力に調整されてそれぞれの燃料電池セル１０Ｓに供給される。
【００４９】
燃料電池セル１０Ｓは、燃料電池セルが有する側面のうち、電解質膜のプロトン伝導方向と平行な方向のセルの端面であるＳ１、Ｓ２内に開口部８を有する。より詳細には、前記酸素供給層が有する側面のうちプロトン伝導方向と平行な側面のうちの二つの側面に開口部８を有する。図６において、燃料電池セル１０Ｓの紙面上の左右端で酸素供給層２の側面が露出した部分が開口部８である。
【００５０】
開口部８は、大気中の空気を自然拡散によって燃料電池セル１０Ｓに取り込む空気取り入れ口として機能するものである。図１に示すように、燃料電池セル１０Ｓは、燃料タンク１０Ｂから供給された燃料ガスと開口部８から取り込んだ空気中の酸素とを反応させて発電する。本実施形態のように、燃料電池セルが有する側面のうちプロトン伝導方向と平行な側面に開口部が存在することにより、複数の燃料電池セルをスタックし接続させた燃料電池を形成した場合においても、一つの燃料電池セルの開口部が他の燃料電池セルによって塞がれて空気の取入れが阻害される恐れがない。なお、燃料電池セルが図２のように直方体である場合には対向する二つの側面にそれぞれ開口部を有していることが好ましい。また、側面が円柱形状である場合には、開口部は円柱の側面の一部となり、対向する円柱の側面にそれぞれ開口部を有することが好ましい。
【００５１】
燃料電池セル１０Ｓは、図２に示すように、膜電極接合体４（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、拡散層３、５と、燃料供給層６と、酸素供給層２と、吸水層１１と、集電体１と、セパレータ７、９とを少なくとも有している。
【００５２】
酸素供給層２は、図６に示すように開口部８から取り込んだ酸化剤である大気中の酸素を酸素供給層に供給して拡散させる役割と、触媒層（酸素極）での電極反応に必要な電子を拡散層３を通じて膜電極接合体４の触媒層（酸素極）に流す２つの役割を有している。また、酸素供給層２は、発電に伴って膜電極接合体４で生成された水（水蒸気）を拡散層３から開口部８へ導いてセル内部から大気中へ排出する機能も有する。そのため、酸素供給層２は、導電性を有する多孔質体が好ましい。このような条件を満たす酸素供給層２としては、空孔率が８０％以上、空孔径が０．１ｍｍ以上であることが好ましく、具体的な材料としては、発泡金属、ステンレスウールなどが好ましい。
【００５３】
なお、本実施形態において、集電体１は隣の燃料電池セル１０Ｓとの仕切り（セパレータ）としての機能と集電体として集電する機能を兼ね備えるよう記載してある。したがって集電体１をセパレータと表記する場合もある。また、集電体１がセパレータの機能を兼ねず、別途セパレータが存在する場合には、セパレータは集電体１を挟んで酸素供給層２と対向する位置に形成される。
【００５４】
セパレータ７、９は燃料電池セル１０Ｓの燃料である燃料ガスが通る部分と外気とが交わらないように密封している。また、セパレータ７と膜電極接合体４の間には、燃料供給層６および拡散層５が存在する。なお、本実施形態においては、セパレータ７は集電体の機能を兼ね備えている。
【００５５】
図２に示すように、燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、燃料供給層６に供給された後、拡散層５内で拡散する。このような燃料供給層６としては、カーボン粒子層を表面に有するカーボンクロスやカーボンペーパーなどを用いることができる。
【００５６】
燃料供給層６を構成する材料の平均開口径は１００μｍ〜９００μｍであることが好ましい。なお、燃料タンク１０Ｂから取り出された燃料ガスは、図２に示すように、セパレータ９内のプロトン伝導方向と平行に存在する燃料ガスの主流路９ｐから分岐して、燃料電池セル１０Ｓ内の燃料供給層６に供給される。そして、燃料供給層６に供給された燃料ガスは拡散層５内に拡散する。
【００５７】
拡散層５は、膜電極接合体４と燃料供給層６との間に両者に接触して存在し、燃料である水素ガスを拡散させ、水素のイオン化によって余剰となった電子を膜電極接合体４の触媒層から集電する。また、拡散層３は、膜電極接合体４と酸素供給層２との間に両者に接触して存在し、酸素を拡散させ、触媒層（酸素極）での電極反応に必要な電子を膜電極接合体４の触媒層（酸素極）に供給する役割する。拡散層５は、導電性を有し、燃料供給層６よりも小さな空孔を有する材料からなる。なお本発明において拡散層の組織とは拡散層を構成する材料のことを示す。
【００５８】
また、「拡散層５は、燃料供給層６よりも小さな空孔を有する材料からなる」とは、拡散層５を構成する材料の平均空孔径が、燃料供給層６を構成する材料の平均空孔径よりも小さいという意味である。さらに、拡散層５を構成する材料の平均開口径（空孔径）は、燃料極である触媒層を構成する材料の平均開口径と燃料供給層を構成する材料の平均開口径との中間の開口径（１μｍ）を有する。したがって、燃料供給層６は絞り抵抗として機能し、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力かつ均等な流量密度で燃料ガスを供給する。
【００５９】
また、拡散層３も、導電性を有し、酸素供給層２よりも小さな空孔を有する材料からなる。拡散層３を構成する材料が有する平均開口径は、同様に、酸素極である触媒層を構成する材料の平均開口径よりも大きく、酸素供給層２を構成する材料の平均開口径よりも小さい。このような開口径とすることで、酸素供給層２が絞り抵抗として機能し、膜電極接合体４の表面全体に均等な圧力かつ均等な流量密度で酸素を供給する。
【００６０】
なお、拡散層３が有する空孔は、酸素供給層２と膜電極接合体４とを連通する貫通孔であっても良い。拡散層３が高密度な貫通孔を有していることにより、膜電極接合体４と拡散層３との間に滞留した生成水を酸素供給層２まで吸い上げることも可能となる。このような、拡散層３および拡散層５を構成する材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを用いることができる。
【００６１】
図３に示すように、膜電極接合体４は、電解質膜１２と、該電解質膜の両面に接触して形成された２つの触媒層１３、１４（それぞれ燃料極、酸素極）からなる。電解質膜は、燃料供給層から酸素供給層の方向にプロトン伝導を行うことができるものであれば、どのような材料からなるものでも構わない。このような電解質膜の中では固体高分子電解質膜が好ましく、そのような例としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体であるデュポン社のナフィオン（商標）などが挙げられる。
【００６２】
膜電極接合体４を構成する２つの触媒層は、触媒活性を有する物質を少なくとも有する。なお、触媒活性を有する物質が単体で存在できない場合には、担持体に触媒活性物質を担持させることで触媒層としても良い。触媒活性物質が単体で存在する例としては、白金黒やスパッタ法により形成した樹枝状形状の白金触媒などが挙げられる。
【００６３】
一方、担持体に触媒活性物質が担持される例としては、白金担持カーボン粒子などが挙げられる。なお、触媒層にはカーボン粒子などの電子伝導体やプロトン伝導体（高分子電解質材料）が含まれていても良い。触媒層は電解質膜の表面に接触して一体化していても良いが、触媒層が電解質膜と接しており水素イオン等の化学種の受け渡しが可能であれば、膜電極接合体４として一つに形成する必要はない。また、触媒層の平均開口径は１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。なお、以下の明細書において、燃料供給層側の触媒層を燃料極、酸素供給層側の触媒層を酸素極と呼ぶ場合もある。
【００６４】
本発明の燃料電池セルは、酸素の供給と水蒸気の排出とを開口部を通じた酸素の自然拡散によって行う受動型（パッシブ型）である。図からわかるように、開口部８以外の酸素供給層２は集電体１によって囲まれている。したがって、酸素極で生成した水は拡散層３を通って蒸気となった後、集電体１によって冷やされて酸素供給層２の内部で水滴となる。水滴の量が過剰になると酸素供給層２を閉塞してしまうため、酸素拡散性の低下によって電圧降下、つまりフラッディングが生じる。
【００６５】
そこで、水滴が生成する集電体１と酸素供給層２との間に吸水層１１を形成する。吸水層１１は、酸素供給層２と連通し、吸水層１１の端部が開口部８を含む平面に存在するように形成する。すなわち、吸水層１１は、拡散層３および酸素供給層２を隔てて、膜電極接合体４と対向する位置、かつ吸水層１１の端部が開口部８を通じて外部の空気と接しやすい位置に形成される。なお、吸水層１１は、集電体１と酸素供給層２との間の一部のみに配置される。それにより、集電体１と酸素供給層２との電気的接触は阻害されない。そのように配置する方法としては、酸素供給層２、集電体１のいずれか一方もしくは両方に溝を設け、該溝の中に吸水層１１を配置する方法が挙げられる。
【００６６】
また、形成される吸水層１１は図２のように一つであっても良く、図４に示すように複数であっても良い。また、図５は図４の燃料電池セルにおける吸水層１１と酸素供給層２を集電体１側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【００６７】
吸水層１１が酸素供給層２の溝に形成される場合、吸水層１１が酸素供給層２内の酸素拡散性を阻害しないように、吸水層１１の厚さは酸素供給層２の厚さよりも薄いことが好ましい。例えば、酸素供給層２の厚さが１ｍｍ以上３ｍｍ以下である場合には、吸水層１１の厚さは１μｍ以上１ｍｍ未満であることが好ましい。
【００６８】
また、吸水層１１は吸水性材料で構成される。吸水層１１を構成する吸水性材料は、好ましくは、吸水性のみならず速乾性を有する繊維からなり、更に好ましくは酸素供給層２の材料よりも親水性が高い材料であって酸素供給層２から独立したシート状の材料である。吸水層１１を構成する材料の親水性が酸素供給層２の材料の親水性よりも高いことで、より酸素供給層２から吸水層１１への水の移動が起こりやすくなる。
【００６９】
なお、本発明において、「液体水を保持する安定性」とは「親水性」と同じ意味をなす。表面が親水性の材料である場合、表面が撥水性（疎水性）の材料よりも親水性が高いため、液体水を保持する安定性が高いと言える。また、親水性の材料を用いる場合、前記親水性材料の表面の平均開口径（隙間）が小さい方がより親水性が高く（液体を保持する安定性が高く）、表面が撥水性（疎水性）の材料であれば、組織の平均開口径（隙間）が大きい方がより親水性が高い（液体を保持する安定性が高い）と言える。
【００７０】
また、本発明において「吸水性材料」とは毛管現象により水を引き上げることのできる材料であり、より具体的には吸水性材料を水に漬けた時に１０秒後の水の吸い上げ高さが３０ｍｍ以上の材料を示す。
【００７１】
また、「速乾性材料」とは吸収した水を容易に乾燥して放出することのできる材料であり、より具体的には、２５度Ｃ相対湿度５０％雰囲気における１ｈ後の乾燥率が８０％以上である材料である。ここで、乾燥率は、毛管現象により吸水層が吸い込んだ水の重量に対する無風状態の恒温恒湿槽に１ｈ放置した後に吸水層に残存していた水の重量の割合である。例えば吸水繊維の重量が０．５ｇで毛管現象により吸収した後の総重量が１．５ｇだった場合、吸収した水の重量は１ｇということになる。その繊維を無風状態の２５度Ｃ５０％の恒温恒湿槽に１ｈ放置した後の総重量が０．６ｇであったとすると、吸水繊維に残った水は０．１ｇ、すなわち、乾燥した水の重量は０．９ｇであったことになる。１ｇあった水のうち、０．９ｇが乾燥したため、このときの乾燥率は９０％ということになる。
【００７２】
このような吸水性および速乾性を有する材料としては、例えば表面の親水性が高い多孔質材料などが挙げられる。ここで、本発明において、「親水性が高い材料」とは、その材料上に形成された水滴の接触角が９０度以下のこととする。
【００７３】
吸水層１１の役割は大きく分けて二つある。吸水層１１の一つ目の役割は、酸素供給層２に凝集（発生）した水を吸収し、酸素供給層２に酸素拡散流路を確保させることである。発電活動によって膜電極接合体４で生成された水は、膜電極接合体４の外側に設置された拡散層３を通じて酸素供給層２へ排出される。吸水層１１が無い場合、酸素供給層２へ排出された生成水は、蒸発して開口部８からセル外に拡散（放出）する以外に酸素供給層２から除去されない。酸素供給層２からの自然拡散だけでは、酸素供給層２に排出された生成水は十分蒸発することができず、酸素供給層２の酸素拡散流路を狭めるとともに、酸素供給層２の水蒸気分圧を高めて拡散層３を通じて酸素供給層２へ排出される生成水や水蒸気の流れを妨げる。すなわち、酸素供給層２における水分が過多になると、拡散層３を通じた膜電極接合体４からの水分排出が妨げられて、膜電極接合体４の表面が部分的に水没（フラッディング）する。これにより、膜電極接合体４への酸素供給が阻害される。
【００７４】
一方、吸水性材料からなる吸水層１１がある場合、吸水層１１の毛管現象によって積極的に酸素供給層２から水蒸気や霧滴を集めて、吸水層１１内で生成水を形成する。したがって、酸素供給層２が毛管現象を有さないほど空孔径が大きいもしくは空孔率が高い場合であっても、吸水層１１の毛管現象によって酸素供給層２内の生成水は吸水層１１に取り込まれる。すなわち、吸水層１１が、開口部８を通じた酸素の供給や水蒸気の排出の阻害を軽減することができる。
【００７５】
また、吸水層の端部が開口部を含む平面に存在することにより、吸水層１１に吸収された液体水が外部の空気と触れやすくなり、効率的に蒸発拡散するようになる。なお、本発明において、開口部が曲面である場合、開口部を含む平面とは該曲面をプロトン伝導方向と平行に動かすことで形成される曲面のこととする。また、開口部が曲面である場合、開口部を含む平面と垂直な面とは、曲面を含む平面の対称面と平行な面のこととする。
【００７６】
なお、集電体１の吸水層１１側表面には、親水性を高める特殊な表面処理を行ってもよい。このような方法としては、例えば集電体１に対する親水性塗料の塗布、極めて親水性の高い材料を用いた集電体１、集電体１の表面のサンドブラスト処理層、集電体１に対する酸化チタンと酸化ケイ素とのスパッタコーティング等が挙げられる。このような方法により、液体水が表面で凝結し、表面に沿って浸透拡散することは言うまでも無い。
【００７７】
吸水層１１の二つ目の役割は、酸素供給層２内の湿度を一定に保つことである。
【００７８】
膜電極接合体４の水分が不足すると、電解質膜が乾燥して水素イオンが伝導しなくなるドライアウト現象を起こす。したがって、燃料電池セル１０Ｓ内の湿度は適度な湿度に保たれていることが望ましい。吸水層１１が存在することにより、湿度が一定に保たれるため、膜電極接合体４が乾燥した場合には、吸水層１１から蒸発した水が電解質膜に吸収される。すなわち、吸水層１１は、フラッディングと同時に極端な乾燥時や未使用時のドライアウトも防止し、燃料電池セル１０Ｓ内を適度な湿度に保持する役割を果たす。
【００７９】
＜第２実施形態＞
図７は第２実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図であり、第２実施形態では、吸水層１１の形状が第１実施形態と異なる以外は、第１実施形態と同様にして燃料電池を組み立てることができる。したがって、本実施形態を説明する際には、図１を併せて参照し、図２、図６と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８０】
図７に示すように、第２実施形態における燃料電池セル２０Ｓは、第１実施形態の燃料電池セル１０Ｓにおいて、開口部を含む平面を基準として燃料電池セル１０Ｓとは反対側に端部を有するように吸水層を形成した構成の燃料電池セルである。また、図８は、本実施形態において、吸水層を複数形成した場合の吸水層１１および酸素供給層２を示す図であり、吸水層が複数である場合の図７の燃料電池セルを集電体１側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【００８１】
すなわち、第１実施形態からの変更点は、吸水層１１を酸化剤供給口である開口部８から延伸（拡張）させ、燃料電池セル２０Ｓの外部にまで露出させたことにある。このような構成とすることにより、吸水層１１の少なくとも一部が、直接セルの外部の空気（大気）と接触する。
【００８２】
本実施形態のように、燃料電池セル２０Ｓの外部にまで吸水層１１が露出する構造を採用することにより、外部の空気との接触面積が増大し、第１実施形態よりも更に効率的に吸水層内の水を蒸散させることができる。特に、高湿度下などの生成水の量が多い環境では本実施形態のような構成とすることでより効率的に吸水層内の水を蒸散させることができる。なお、「吸水層の少なくとも一部が、酸素供給層の外側で直接大気に開放されている」とは、開口部と垂直な断面で燃料電池セルを切断した際の切断面において、開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと反対側に吸水層の端部が存在し、前記吸水層が直接大気に開放されていることを示す。
【００８３】
なお、吸水層１１のうち開口部を含む平面を基準として燃料電池セル２０Ｓと反対側に存在する部分（燃料電池セル２０Ｓからはみ出した部分）の形状は、単純に延伸させた形状とするだけではなく、人為的に凹凸を作るなど更に表面積を増大させる構造とすると、外部の空気との接触面積が増大するため更に望ましい。
【００８４】
＜第３実施形態＞
図９は第３実施形態における燃料電池セルの構成を示す図であり、本実施形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。第３実施形態では、吸水層１１の内部構造が第２実施形態と異なる以外は、第２実施形態と同様な部品を用いており、本実施形態の燃料電池セルを第１の実施形態と同様にスタックし、接続することで本実施形態の燃料電池を組み立てることができる。したがって、図７と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８５】
第３実施形態における燃料電池セル３０Ｓは、図７における吸水層１１に代えて、親水性の強度を場所によって変化させた吸水層１１Ｄを用いることで、開口部８へ向かって水を排出する排水性能を高めている。詳しくは、前記吸水層のうち、酸素を取り込む前記側面側に近い平面位置の方が、酸素を取り込む前記側面側から遠い平面位置よりも液体水を保持する前記安定性が高い。すなわち、開口部８に近いほど親水性が強い構造とすることで、酸素供給層２の中央部から、外側すなわち蒸発拡散（蒸散）の起きやすい開口部８の方向に水分を引き寄せることができる。
【００８６】
図９を用いて具体的に説明すると、吸水層１１Ｄを、開口部８に近い外側の吸水層１１ｅと、中央部の吸水層１１ｆとによって構成し、１１ｅの親水性を１１ｆの親水性より高く設定する。親水性の強さは、部材表面に形成した水滴の部材に対する接触角で判断することが可能であり、部材に対する水の接触角が小さいほど、その部材は親水性の強度が大きい（親水性が高い）ことを示している。
【００８７】
したがって、吸水層１１ｆにおける水の接触角をθｆ、吸水層１１ｅにおける水の接触角をθｅとした際に、［θｅ＜θｆ＜９０度］という関係が成り立つ事が望ましい。
【００８８】
このような構成とすることにより、吸水層１１内の液体水は、親水性の低い領域（１１ｆ）から高い領域（１１ｅ）へと自然浸透して面方向（プロトン伝導方向と垂直な方向）に移動する。
【００８９】
吸水層を３種類以上の領域で構成する場合も、同様に、開口部に近い（セルの外側に近い）領域ほど親水性が高い領域とする。なお、吸水層１１Ｄを、部分的に親水性が異なる２つ以上の領域で構成し、排水性能を高めるためには、必ずしも二種類以上の部材（材料）を用意する必要はない。例えば、一種類の材料を用いた吸水層部材の一部（中央部）に疎水処理を行う、あるいは開口部８付近に更なる親水処理を行うなどの方法も考えられる。
【００９０】
更に、吸水層１１Ｄにおける親水性の変化は段階的な変化には限らない。例えば、ろ紙のようなセルロース繊維の吸水層であれば、プラズマ処理によって親水性を高めることができる。中央側から開口部８へ向かって、ろ紙のプラズマ処理時間を次第に増加させて、連続的に親水性を高めたグラデーションをつける場合も本実施形態に含まれるものとする。
【００９１】
＜第４実施形態＞
図１０は第４実施形態の燃料電池セル４０Ｓを示す図であり、本実施形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。また、本実施形態の燃料電池セルも第１の実施形態と同様にスタックし、接続することで本実施形態の燃料電池を組み立てることができる。
【００９２】
酸素の供給経路に設置された親水性の吸水材料からなる吸水層１１は、生成水が酸素供給を阻害しないようにすることを第一の目的とする。そのため、燃料電池の全体構造は、燃料電池セル内の余分な生成水を吸水層１１に誘導する構造であることが望ましい。
【００９３】
本実施形態では、酸素供給層２が貫通孔１５を有することで、燃料電池セル内の余分な生成水を吸水層１１に誘導する構造としている。酸素供給層２が貫通孔を有する以外は第２実施形態と同様の構成とする。
【００９４】
発電活動によって生成される生成水は、酸素供給層２だけではなく、拡散層３と膜電極接合体４との間にも滞留して膜電極接合体４への酸素の供給を妨げる。酸素供給層２として、微細な貫通孔１５を有する材料を使用することにより、膜電極接合体４と拡散層３との間に滞留した生成水を、酸素供給層２が有する貫通孔１５の毛管力によって酸素供給層２と吸水層１１との接触面まで吸い上げることができる。吸い上げられた水は酸素供給層２に接する吸水層１１によって吸収される。
【００９５】
このような構造にすることで、酸素供給層２のプロトン伝導方向に平行な方向の厚みが十分に厚く、生成水を吸水層１１の毛管力のみで吸収できない場合であっても、効率的に酸素供給の阻害要因となる生成水の排出が可能となる。
【００９６】
＜第５実施形態＞
図１１および図１２に第５実施形態の燃料電池セル５０Ｓを示す。図１１は、本実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。また、図１２は、本実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。なお、本実施形態の燃料電池セルも第１の実施形態と同様にスタックし、接続することで本実施形態の燃料電池を組み立てることができる。
【００９７】
本実施形態では、第２実施形態における酸素供給層２の集電体１との接触面に、開口部を含む平面と垂直な方向を長さ方向とし、プロトン伝導方向を深さ方向とする複数の溝を有する。さらに、酸素供給層２にプロトン伝導方向と平行な方向を深さ方向とする複数の孔を形成する。そして、該溝、および該孔の少なくとも一部に吸水層を配置する。なお、図１１および図１２では孔内に存在する吸水層を１１ａ、溝の内部に存在する吸水層を１１としている。
【００９８】
ここで、溝とは、プロトン伝導方向と平行な断面において取れる溝内のプロトン伝導方向と平行な最大長さが、プロトン伝導方向と垂直な断面において取れるプロトン伝導方向と垂直な最大長さよりも短いもののことである。
【００９９】
一方、孔とはプロトン伝導方向と平行な断面において取れる溝内のプロトン伝導方向と平行な最大長さが、プロトン伝導方向と垂直な断面において取れるプロトン伝導方向と垂直な最大長さよりも長いもののことである。なお、孔は酸素供給層２中で貫通していてもしていなくても良い。
【０１００】
なお、孔が貫通しており、かつ孔が高密度に形成されている場合、以下の二つのいずれかの形態であることが好ましい。一つ目の形態としては、前記複数の孔のうちの少なくとも一部の孔が深さ方向の全領域に渡って吸水層を有しているわけではない形態である。そして、二つ目の形態としては、前記複数の孔のうちの一部の孔のみに吸水層を形成する形態である。
【０１０１】
これは、吸水層と酸素極側拡散層との接触部分の面積が大きくなりすぎると、酸素極および拡散層中の酸素拡散性を妨げる場合があるからである。具体的には吸水層と酸素供給層との接触平面を仮定した際に、前記接触平面内の吸水層と酸素供給層との接触部分の面積に対して、吸水層と酸素極側拡散層との接触部分の面積が２０％以下であることが好ましい。
【０１０２】
なお、本発明において、「平行」とは、ほぼ平行を含む概念とし、平行な方向±１０°の範囲とする。
【０１０３】
また、形成する溝の深さは酸素供給層２の厚みに対して１０％以上５０％以下であることが好ましい。さらに、溝の長さは、開口部が平面である場合、酸素供給層２のうち、開口部と同一平面内に存在する酸素供給層２の端面と該端面に対向する酸素供給層２の端面との距離と同一の長さであることが好ましい。なお、形成する溝の数は発電によって生じる生成水の量によって調整することができる。
【０１０４】
また、酸素供給層２の溝に配置する吸水層の材料と孔に配置する吸水層の材料は同一の材料であっても良いし、異なる材料であっても良いが、溝に配置される吸水層と孔に配置される吸水層は連結していることが好ましい。
【０１０５】
本実施形態の燃料電池セルは、酸素供給層２の厚さが十分厚い場合であっても効率的に水を吸水することができる。したがって、第４実施形態よりも更に酸素供給層２の厚さが厚い場合に用いることが好ましい。
【０１０６】
＜第６実施形態＞
本実施形態は、第２実施形態において、集電体１の端部が開口部８を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に存在する構成の燃料電池セルである。すなわち、吸水層１１のみならず、吸水層１１が接する集電体１も燃料電池セルの外部にまで露出させた構造の燃料電池セルである。また、本実施形態の燃料電池セルも第１の実施形態と同様にスタックし、接続することで、本実施形態の燃料電池を組み立てることができる。
【０１０７】
図１３〜図１６に本実施形態の燃料電池セルを示す。
【０１０８】
図１３は第６実施形態の燃料電池セル６０Ｓを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。図１４は集電体１ａをプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の断面図である。図１５は、図１４の集電体１ａおよび吸水層１１を燃料電池セルに組み込んだ際に、集電体１ａおよび吸水層１１に酸素供給層２側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。また、図１６は集電体１ａを基準とした際の酸素供給層２とは反対側の燃料電池セル外部からプロトン伝導方向と平行な方向で集電体１ａおよび吸水層１１に光を照射した際の投影図である。
【０１０９】
本実施形態においては、プロトン伝導方向に垂直な方向の断面において、開口部を含む平面と垂直な方向の集電体の長さが燃料電池セルの長さよりも長く（集電体の幅が燃料電池セルのセル幅よりも大きい）、セルの外部で集電体と吸水層が接している。これにより、蒸散が困難である高湿度雰囲気下においても、発電時に発生する集電体の熱を効果的に利用して蒸散性を促進することができる。すなわち、排水性能を向上することができる。
【０１１０】
このような集電体の形状としては、図１４の１ａのように、単に、開口部を含む平面に垂直な方向における集電体の長さが、開口部を含む平面に垂直な方向における燃料電池セルの長さ（セル幅）より長い集電体の形状とすることができる。
【０１１１】
なお、吸水層１１は第２実施形態で述べたように複数の吸水層を配置しても良いし、図１５のように、はしご形状にしても良い。
【０１１２】
集電体が図１５のような形状である場合、集電体全体に対して吸水層を配置することができるため、より多くの吸水材料を配置することが可能となり、セルの小型化が容易であるという利点がある。
【０１１３】
＜第７実施形態＞
本実施形態の燃料電池セルは、第６実施形態における集電体および吸水層の形状が異なる構成の燃料電池セルであり、集電体および吸水層の形状が異なる以外は第６実施形態と同様の構成である。また、本実施形態の燃料電池セルも第１の実施形態と同様にスタックし、接続することで本実施形態の燃料電池を組み立てることができる。
【０１１４】
図１７は第７実施形態の集電体の形状をプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の断面図であり、図１８は本実施形態の集電体および吸水層に酸素供給層側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【０１１５】
また、図１９は本実施形態における吸水層および集電体を開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【０１１６】
本実施形態における集電体および吸水層は、図１７および図１８に示すようにくし型の形状をなす。本実施形態のくし型の集電体は、くし部分のみ燃料電池セルの側面よりも外部に露出させている。集電体１ｂがくし型集電体である場合には、くしの幅及び長さはセル外へ露出している吸水層と同じ大きさであることが好ましく、更に図１９に示すように複数の吸水層が各々集電体のくし端部を覆う形状であることが好ましい。
【０１１７】
本実施形態では、第６実施形態と比較して空気を取り込みやすいため、性能が向上するという利点がある。したがって、セルの小型化よりもセルの性能を優先する場合には本実施形態の構成の燃料電池セルとすることが好ましい。
【０１１８】
以上のように、燃料電池セルの構成を第１〜第７の実施形態のような構成とすることで、膜電極接合体４の単位表面積あたりの電流値を高く設定しても膜電極接合体４の局所的な水没領域が発生しにくくなり、高い発電効率が安定して維持される。したがって、小面積の膜電極接合体４を用いて、大気の循環機構やブロアーに頼らなくても大きな電流が出力可能となる。高信頼性、長寿命、高性能を実現しつつ、部品点数が少なく小型軽量で安価な燃料電池を提供できる。
【０１１９】
＜比較形態の燃料電池＞
次に比較形態の燃料電池の説明を行う。
【０１２０】
＜第１比較形態＞
図２０は第１比較形態である従来のパッシブ型固体高分子型燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図であり、図２１は第１の比較形態である従来のパッシブ型の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。図２０に示すように、固体高分子型燃料電池の燃料電池セル１００Ｓは、少なくとも、膜電極接合体１０４と、拡散層１０３、１０５と、燃料供給流路（燃料供給層）１０６と、酸素供給流路（酸素拡散層）１０２と、セパレータ１０１、１０７、１０９からなる。
【０１２１】
なお、膜電極接合体１０４は電解質膜と触媒層（燃料極、酸素極）で構成される。膜電極接合体１０４は燃料電池セル１００Ｓの中央部に位置し、電解質膜の一方の面には、酸素極である触媒層が存在し、他方の面には燃料極である別の触媒層が存在する。
【０１２２】
そして、燃料極を挟んで電解質膜と対向する位置に拡散層１０５が存在し、酸素極である触媒層の外側には、電解質膜と対向する位置に拡散層１０３が存在する。燃料極および酸素極は、それぞれ、その外側に燃料もしくは酸化剤を拡散させる役割と、電子を発生させる役割を担う。拡散層１０３、１０５の外側に燃料もしくは酸化剤を燃料電池セル１００Ｓ全体に供給する供給流路である酸素供給層１０２、燃料供給層１０６が存在する。
【０１２３】
拡散層１０３、１０５の部材としては、導電性を有する多孔質媒体が用いられる。そのような導電性の多孔質媒体としては、例えばカーボンクロスなどが挙げられる。酸素供給層１０２、燃料供給層１０６には何も設置されないか、集電及び支持部材として空孔率の高い多孔質媒体が設置される。
【０１２４】
燃料は、燃料供給層１０６の中を、例えばポンプによる強制循環などにより移動する。また、酸化剤は酸素供給層１０２の中を自然拡散・自然対流などの手法により移動する。酸化剤および燃料は、酸素供給層１０２、燃料供給層１０６から拡散層１０３、１０５を通して拡散し、それぞれ膜電極接合体１０４内の電解質膜に到達する。
【０１２５】
膜電極接合体１０４内における燃料極と電解質膜との接触部分においては、燃料極に到達した燃料が触媒による酸化作用により酸化され、水素イオンとなって、電解質膜中をカソードに向けて移動する。このような燃料としては水素ガスなどの気体やメタノール・エタノールといった液体が使用される。
【０１２６】
膜電極接合体１０４内における酸素極と電解質膜との接触部分においては、酸素供給層１０２から拡散層１０３を通じて到達した酸化剤と（例えば酸素）と、電解質膜内を移動してきた水素イオンとが反応して水分子が生成される。そして、この一連の化学反応で発生するエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。
【０１２７】
前述の通り、膜電極接合体１０４のカソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは生成水となって拡散層１０３から酸素供給層１０２に移動し、開口部１０８からの蒸散によって排出される。また、電解質膜を透過してアノード側から排出される場合もある。この際、燃料の供給を、ポンプを用いて行う場合には、ポンプの圧力によってそのまま燃料と一緒に水も移動し、排出口より排出される。
【０１２８】
図２１に示すように、従来のパッシブ型燃料電池の燃料電池セル１００Ｓは、中央に電解質膜を配置する。そして、電解質膜の表裏両面に触媒層を形成し膜電極接合体１０４とする。膜電極接合体１０４の外側には拡散層１０３、拡散層１０５が存在する。拡散層１０５には燃料として水素が供給され、拡散層１０３は酸化剤として大気中の酸素が供給される。アノード側は水素が供給されるために、セパレータ１０７、１０９でシールされてリークが生じないようになっている。また、カソード側は空気を供給するために開口部１０８を有している。
【０１２９】
発電によって発生した生成水は、水蒸気となって自然拡散し、開口部１０８を通じて大気中に排出される。もしくは拡散層１０３や酸素供給層１０２で液化して滞留する。特に拡散層１０３や酸素供給層１０２の内部で液化した水は、蒸発して排出されるまでその場所に滞留しつづけるため、放置しておくとカソードへの酸素供給に影響を及ぼす。
【０１３０】
パッシブ型燃料電池においては、酸素供給層１０２に排出された水を外に送り出す手段が存在しない。したがって、一旦拡散層１０３から酸素供給層１０２に排出された水はそのままその場所に滞留し続け、結果的には、酸化剤の供給を止めてしまう。したがって、排水手段を有しない燃料電池セルの構成である場合、長時間駆動を行うと燃料電池セルの性能を低下させてしまう。
【０１３１】
＜第２比較形態＞
また、図２２は第２比較形態である従来のパッシブ型固体高分子型燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。本比較形態燃料電池セルは、第１比較形態において、酸素供給層１０２とセパレータ１０１との間に吸水層１１０を有するものの、該吸水層の端面が開口部１０８と同一平面よりセル側、すなわち、セル内に存在する構造を有するものである。なお、図２２において、燃料電池セルの紙面上の左右端１０８のみが開口部である。
【０１３２】
本比較形態のように、吸水層の端部がセル内に存在する場合、発電開始直後においては発生する水が少量であるため、生成水は吸水層に吸水される。しかしながら、本比較形態の吸水層は、端部がセルの内部に存在し、セル外部の空気と接しないため、吸水層に吸収した水の蒸散性が悪い。したがって、長時間駆動を行う場合など、生成水の量が多い場合には、吸水層が吸水できなくなるため、生成した水が滞留してしまう。これにより、酸化剤の供給が不十分となり、燃料電池セルおよび該燃料電池セルを用いた燃料電池の性能が低下してしまう。
【０１３３】
＜第３比較形態＞
図２３は第３比較形態である従来のパッシブ型固体高分子型燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。本比較形態の燃料電池および燃料電池セルは、第１の比較形態（図２１）における酸素供給層１０２と拡散層１０３の間に吸水層１１０を有する構造の燃料電池セルである。
【０１３４】
本比較形態のように、吸水層が酸素供給層と集電体との間ではなく、酸素供給層と酸素極側拡散層との間に形成される場合、燃料電池セルが開口部１０８から取り込んだ酸素の拡散層１０３への拡散を吸水層１１０が阻害してしまう。拡散層１０３への酸素の拡散が阻害されることにより、膜電極接合体１０４への酸素の供給も阻害され、燃料電池セルの性能が低下してしまう。
【０１３５】
＜実施例＞
次に、上記実施の形態に基づいて、具体的な実施例を詳細に説明する。ただし、触媒層（酸素極および燃料極）、電解質膜、拡散層、酸素供給層、燃料供給層などの材料は以下に示すものに限定するものではなく、同様の機能を有するものであればどのような材料を用いても構わない。
【０１３６】
［実施例１］
図２４は実施例１の燃料電池セルにおける吸水層の配置の説明図である。本実施例は、第２実施形態の燃料電池セル２０Ｓの構成を採用しており、吸水層を酸素供給層の集電体側の表面に形成し、吸水層の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと反対側に存在する形態の燃料電池セルである。以下、本実施例に係わる燃料電池セルの製造工程を詳細に説明する。
【０１３７】
（工程１）
電解質膜への転写層としてのＰＴＦＥシート（日東電工製ニトフロン）上に反応性スパッタ法により樹枝状構造をとる白金酸化物触媒を２０００ｎｍ形成した。このときのＰｔ担持量は０．６８ｍｇ／ｃｍ２であった。反応性スパッタは、全圧４Ｐａ、酸素流量比（Ｑ０２／（ＱＡｒ＋ＱＯ２）７０％、基板温度３００度Ｃ、投入パワー４．９Ｗ／ｃｍ２なる条件にて行った。引き続き、この樹枝状構造をとる白金酸化物触媒を２％Ｈ２/Ｈｅ雰囲気（１ａｔｍ）にて１２０度Ｃ３０分間の還元処理を行い、ＰＴＦＥシート上に樹枝状構造の白金触媒層を得た。
【０１３８】
さらに、ＰＴＦＥとＮａｆｉｏｎ（登録商標）の混合懸濁溶液を前記ＰＴＦＥシートに含浸させることによって、触媒表面に有効に電解質チャネルを形成するとともに適切な撥水処理を行った。
【０１３９】
（工程２）
電解質膜への転写層としてのＰＴＦＥシート上に、ドクターブレードを用いて白金担持カーボン触媒を形成する。ここで使用する触媒スラリーは、白金担持カーボン（Ｊｈｏｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙ製  ＨｉＳＰＥＣ４０００）、Ｎａｆｉｏｎ、ＰＴＦＥ、ＩＰＡ、水の混錬物である。このときの白金担持量は０．３５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１４０】
（工程３）
（工程１）により作製した触媒層を酸素極、（工程２）によって作製した触媒層を燃料極として、前記一対の触媒層（酸素極および燃料極）で固体高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ製Ｎａｆｉｏｎ１１２）を挟み、８ＭＰａ、１５０度Ｃ、１ｍｉｎなるプレス条件でホットプレスを行った。
【０１４１】
その後、ＰＴＦＥシートを剥離することにより、一対の触媒層を高分子電解質膜に転写して、電解質膜と一対の触媒層を接合し、膜電極接合体（以下ＭＥＡと略記）を得た。
【０１４２】
（工程４）
酸素供給層として、長さ２８ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍの発泡金属を用いた。また、エンドプレートとしては、長さ３７ｍｍ幅１０ｍｍのものを用い、これをセルの長さおよび幅とした。酸素供給層の一方の面、酸素極側集電体と接触する側に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ５００μｍの溝を前記酸素供給層が有する１０ｍｍの幅と平行な方向に等間隔に４本形成した。該溝に長さ２０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５００μｍにカットした吸水材料を左右５ｍｍづつセルからはみ出すように設置して吸水層とした。
【０１４３】
ここで、吸水材料には、アンビック社製液体拡散不織布Ｐタイプを使用した。これにより、吸水層１１と酸素供給層２を得た。
【０１４４】
（工程５）
以上により得られたＭＥＡと、酸素供給層と吸水層の接合体、および燃料極側集電体、燃料極側拡散層、酸素極側拡散層、酸素極側集電体を図２の如く積層して燃料電池セルを得た。なお、本例における燃料極側集電体は図２におけるセパレータ７に当たる。
【０１４５】
また、燃料極側拡散層にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製  ＬＴ２５００−Ｗ）を、酸素極側拡散層にはカーボンクロス（Ｅ−ＴＥＫ製  ＬＴ１２００−Ｗ）を用いた。
【０１４６】
なお、図２４（ａ）〜（ｃ）に工程４によって作製した吸水層１１および酸素供給層２を示す。（ａ）は吸水層および酸素供給層を開口部と平行な面で切断した際の断面図、（ｂ）は集電体側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は酸素極側拡散層側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【０１４７】
［実施例２］
図２５は実施例２の燃料電池セルにおける吸水層の配置の説明図である。本実施例は、第１実施形態で述べた酸素供給層と集電体との間のみに吸水層を配置させ、吸水層の端部が開口部を含む平面に存在する形態の燃料電池である。すなわち、吸水層の端部が開口部を含む平面と同一平面に存在する形態である。この点以外は実施例１と同様とする。
【０１４８】
図２５（ａ）〜（ｃ）に作製した吸水層１１および酸素供給層２を示す。（ａ）は吸水層および酸素供給層を開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図、（ｂ）集電体側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は酸素極側拡散層側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【０１４９】
以上のようにして作製した燃料電池セルの４００ｍＡ／ｃｍ２における定電流測定の電圧変動により、耐フラッディング特性の評価を行った。測定条件としては２５度Ｃ、相対湿度５０％の無風状態の恒温恒湿槽にセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気で評価した。また、このとき、吸水層を形成しない以外は同じ工程を用いて作製した燃料電池セル（第１比較形態の燃料電池セル１００Ｓと同様の構成の燃料電池セル）を比較例１として、同様の評価を行った。
【０１５０】
図２６に実施例１、実施例２、比較例１の燃料電池セルの評価結果を示す。実施例１、実施例２と、比較例１との測定開始時の電圧に差異はなく、吸水層を形成したことによる性能低下はみられなかった。これは、吸水層が酸素極側の拡散層に触れていないため、ガスの拡散を阻害していないからだと考えられる。しかしながら、実施例１と比較例１の電圧差は測定開始２０分後から徐々に開いていき、９０分後には大きな差異が生じた。
【０１５１】
次に、定電流測定９０分後の両燃料電池セル内の残存水重量を比較することにより排水機能を比較した。その結果、比較例１のセル内残存水重量が０．２８５２ｇであったのに対し、実施例１のセル内残存水重量は０．１２６５gと少ない値を示した。
【０１５２】
これらの結果より、実施例１の燃料電池セルには生成水をセル外へと排出する機能があり、フラッディングの抑制機能があることがわかる。
【０１５３】
また、実施例２のセル内残存水分量は０．１７９８ｇであり、実施例２のセルにおいても、比較例１より残存水分量は少なかった。すなわち、実施例２の形態も比較例１の形態よりも排水機能が高いことがわかる。
【０１５４】
実施例１の形態は実施例２の形態よりも更に排水機能が高いため、より高い排水機能を求める場合には実施例１の形態が好ましい。一方、実施例２の形態は、吸水層が小さいため、実施例1の形態よりもコンパクトなセル構造とすることができる。
【０１５５】
したがって、排水機能を重視するアプリケーションには実施例１の形態をとることが好ましく、排水機能を有していながらもスペース効率を重視するアプリケーションには実施例2の形態とすることが好ましい。
【０１５６】
以上より、吸水層を酸素供給層の集電体側表面に形成することにより、性能の低下を招くことなく、大幅な耐フラッディング特性の向上に成功した。
【０１５７】
［実施例３］
図２７は実施例３の燃料電池セルにおける吸水層の配置の説明図である。本実施例は、第５実施形態で述べた吸水層を酸素供給層と集電体との間と、酸素供給層内部に設置した場合の例である。この例は酸素供給層の厚みが厚く、拡散層から発生した水蒸気が集電体に到達する前に酸素供給層中で水滴となる場合に非常に有効である。なお、工程４以外の工程は実施例１と同様であるので、工程４のみ説明する。
【０１５８】
（工程４）
（工程１〜３、工程５は実施例1と同様）
酸素供給層の集電体（酸素極側集電体）側表面に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ５００μｍの溝を等間隔に４本形成した。溝を形成した部分に一つの溝に対してφ２ｍｍの貫通しない孔を等間隔に２つずつ形成した。貫通しない孔の中に吸水材料を詰めて吸水層を形成し、溝に長さ２ｃｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５００μｍにカットした吸水材料を設置して別の吸水層を形成した。
【０１５９】
その際、貫通しない孔内に存在する吸水材料と、溝の中の吸水材料は接触するよう配置した。図２７（a）〜（d）に得られた吸水層１１および１１ａ、酸素供給層２および貫通しない孔１５Ｈを示す。ここで、貫通しない孔内に存在する吸水層を１１ａ、溝の内部に存在する吸水層を１１としている。
【０１６０】
なお、酸素供給層として用いた発泡金属は、実施例１と同様、長さ２８ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍのものとした。また、セルサイズとしては３７ｍｍ×１０ｍｍのものを用いた。吸水繊維は短手方向に配置し、左右５ｍｍづつはみ出させた。
【０１６１】
なお、図２７（ａ）は吸水層および酸素供給層を開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図、（ｂ）集電体側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は酸素極側拡散層側から吸水層および酸素供給層にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図、（ｄ）は酸素供給層と酸素供給層の孔内部に配置した吸水層をプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の断面図である。
【０１６２】
以上のようにして作製した燃料電池セルの４００ｍＡ／ｃｍ２における定電流測定の電圧変動により、耐フラッディング特性の評価を行った。測定条件は２５度Ｃ、相対湿度５０％の無風状態の恒温恒湿槽にセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気として、評価を行った。また、この際、比較例１の燃料電池セルを用いて同様の評価を行った。
【０１６３】
図２８にその結果を示す。実施例３と比較例１の測定開始時の電圧に差異がないことから、吸水層によるガス拡散性の低下は起きていないことがわかる。図２６と同様、実施例３と比較例１の電圧差は測定開始２０分経過以降、徐々に開いていき、９０分後には大きな差異が生じた。
【０１６４】
次に、定電流測定９０分後の両セル内の残存水重量を比較することにより排水機能を比較した。その結果、比較例１のセル内残存水重量が０．２３９４ｇであったのに対し、実施例３のセル内残存水重量は０．１３３８ｇとなり、大幅に少ない値を示した。
【０１６５】
これらの結果より、実施例３の燃料電池セルには生成水をセル外へと排出する機能があり、フラッディングの抑制機能があることがわかる。
【０１６６】
次に吸水層の端部が開口部を含む平面と同一平面に存在する、もしくは開口部を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に存在することの優位性、および吸水層が集電体と酸素供給層との間に存在することの優位性を示す。
【０１６７】
この優位性を示すために、吸水層の端部がセル内にある構成を比較例２とし、吸水層が酸素供給層と酸素極側拡散層との間に存在する構成を比較例３として比較を行った。
【０１６８】
［比較例２］
図２９は比較例２の燃料電池セルにおける吸水層の配置の説明図である。本比較例は、吸水層が実施例１と同様に酸素供給層と集電体との間に配置されているものの、セル外へはみ出さず、吸水層の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと同一側にある構成の例である。つまり、図２２に示す第２比較形態の燃料電池セル１１０Ｓと同様の構成の例である。工程４以外の工程は実施例１と全く同様であるので、工程４のみ説明する。
【０１６９】
（工程４）
（工程１〜３、工程５は実施例１と同様）
酸素供給層の集電体側表面に、酸素供給層の１０ｍｍの幅と平行に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ５００μｍの溝を等間隔に４本形成する。その溝に長さ５mm、幅２．５ｍｍ、厚さ５００μｍにカットした吸水材料を、吸水層の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと同一側となるように設置する。
【０１７０】
図２９の（ａ）〜（ｃ）に形成した吸水層１１および酸素供給層２を示す。なお、（ａ）は吸水層１１および酸素供給層２を開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図、（ｂ）は集電体側から吸水層１１および酸素供給層２にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は酸素極側拡散層側から吸水層１１および酸素供給層２にプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【０１７１】
以上のようにして作製した燃料電池セルを比較例２として、耐フラッディング特性を実施例１と比較した。評価方法としては、４００ｍＡ／ｃｍ２における定電流測定を行い、その電圧変動により評価した。測定条件は２５度Ｃ、相対湿度５０％の無風状態の恒温恒湿槽にセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気として評価を行った。
【０１７２】
図３０にその結果を示す。比較例２の構成においては約６０分後に電圧の降下が起こった。また、定電流測定９０分後の両セルのセル内残存水重量を比較すると、実施例１が０．１２６５ｇであったのに対して、比較例２は０．２０９ｇであった。
【０１７３】
以上の結果から、比較例２の構成では、生成水の排水機能が低く、フラッディングによる電圧の降下を招いたと推測される。これは、吸水層の端部がセル内にあることにより、吸水層が吸収した生成水が蒸散せず、酸素供給層内に溜まってしまうため、酸素供給層が生成水で閉塞してしまうことが原因だと考えられる。この結果より、酸素供給層と集電体の間に吸水層を形成しても、吸水層の端部がセル内部にある場合には十分な排水効果を発揮しないことが示された。
【０１７４】
［比較例３］
図３１は比較例３の燃料電池セルにおける吸水層の配置の説明図である。本比較例は、吸水層の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと反対側に存在するものの、吸水層が酸素供給層と酸素極側拡散層との間に配置されている構成の例である。つまり、図２３に示す第３比較形態の燃料電池セル１２０Ｓと同様の構成の例である。工程４以外の工程は実施例1と同様であるので、工程４のみ説明する。
【０１７５】
（工程４）
（工程１〜３、工程５は実施例１と同様）
酸素供給層２として、長さ２８ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍの発泡金属を用いた。酸素供給層２の酸素極側拡散層３側の表面に、酸素供給層２の幅と平行な方向に長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、深さ５００μｍの溝を等間隔に4本形成する。その溝に長さ２ｃｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ５００μｍにカットした吸水層を設置し、吸水層の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルと反対側に存在するようセルから左右５ｍｍずつはみ出させて設置した。なお、エンドプレートとしては、長さ３７ｍｍ幅１０ｍｍのものを用い、これをセルの長さおよび幅とした。図３１の（ａ）〜（ｃ）に得られた吸水層１１および酸素供給層２を示す。（ａ）は、吸水層１１および酸素供給層２を、開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図、（ｂ）は、吸水層１１および酸素供給層２を集電体側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は吸水層１１および酸素供給層２を酸素極側拡散層側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【０１７６】
以上のようにして作製した比較例３の燃料電池セルと、実施例１の燃料電池セルとの性能を比較して、耐フラッディング特性を評価した。評価方法としては、４００ｍＡ／ｃｍ２における定電流測定を行い、その電圧変動により評価した。また、Ｉ−Ｖ特性を比較することにより、両者の電池特性も比較した。測定条件は２５度Ｃ、湿度５０％の無風状態の恒温恒湿槽にセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気として評価を行った。
【０１７７】
図３２に実施例１及び比較例３のＩ−Ｖ曲線を示す。両者を比較すると、低電流領域ではほぼ同様の特性を示すが、５００ｍＡ／ｃｍ２以上の高電流領域では差が見られ、限界電流においても差異が観測された。これは、比較例３の燃料電池セルでは、空気の拡散性が低い吸水層が酸素供給層と酸素極側拡散層との間に広い領域で存在しているため、触媒層への空気の供給量が少なく、特に高電流領域での性能低下を招いたことが原因だと考えられる。
【０１７８】
次に、実施例１及び比較例３の耐フラッディング特性を比較した定電流測定時の電圧の変動を図３３に示す。吸水層を酸素供給層と酸素極側拡散層との間に配置させた構成のセルである比較例３においては、短時間での電圧の降下が観測された。しかしながら、定電流測定９０分後の両セルのセル内残存水重量を比較すると、実施例１のセルが０．１２６５ｇであったのに対して、比較例３のセルは０．１２９ｇであり、比較例３の構成でも実施例１と同等の高い排水能力を有していることがわかる。
【０１７９】
このように排水能力が高いにもかかわらず、電圧の降下が観測された要因としては、吸水層が酸素供給層と酸素極側拡散層との間に広い領域で配置されているために酸素供給層内の生成水を酸素極側拡散層へと引き込んでしまうためと考えられる。酸素供給層内の水は効率的に排水できるものの、酸素極側拡散層の水没を招き、結果として酸素供給層ではなく、酸素極側拡散層のフラッディングによる電圧の降下が観測されたものと考えられる。
【０１８０】
この結果より、燃料電池セルに配置した際に、プロトン伝導方向と垂直な面で切断した面の面積が大きい吸水層は、酸素供給層と集電体との間に形成する必要があることがわかった。
【０１８１】
次に、集電体の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に存在し、吸水層と集電体とがセル外で接触している構成の実施例について説明する。すなわち、集電体の端部が開口部を含む平面を基準としてセルとは反対側に存在し、前記集電体のうち前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セルとは反対側に存在する領域の少なくとも一部が吸水層と接している形態の燃料電池セルである。
【０１８２】
以下、集電体の端部が開口部を含む平面を基準として燃料電池セルとは反対側に存在することを、セルから集電体がはみ出していると呼び、集電体のうち前記開口部を含む平面を基準として前記燃料電池セルとは反対側に存在する部分をセルからはみ出した部分と呼ぶことがある。
【０１８３】
［実施例４］
図３４は実施例４の燃料電池セルにおける吸水層と集電体との配置の説明図である。本実施例は、第７実施形態の燃料電池セルの構成を採用している。本実施例では集電体がくし型形状をなしており、くしの部分が開口部を含む平面を基準としてセルとは反対側に存在し、開口部を基準としてセルとは反対側に存在する部分すなわちくし部分で吸水層と接触している。なお、くしの幅及び長さは吸水層のうち開口部を基準としてセルとは反対側に存在する部分と同サイズであり、セル外の吸水層と接触している部分の集電体のみがセル外へはみ出している。集電体がくし型形状になっており、端部がセル外にあり、吸水層とセル外で接触している以外は実施例１と同様である。なお、セルから集電体がはみ出した長さは左右２ｍｍづつとした。
【０１８４】
［実施例５］
図３５は実施例５の燃料電池セルにおける吸水層と集電体の配置の説明図である。本実施例は、第６実施形態の燃料電池セル６０Ｓの構成を採用している。集電体の端部が直線形状であり、かつ直線形状である端部が開口部を含む平面を基準としてセルとは反対側に存在し、集電体のうち開口部を基準としてセルとは反対側に存在する部分が吸水層と接触している場合の実施例である。なお、集電体全体がセル外へとはみ出し、吸水層と集電体がセル外でも接触している以外は実施例１と同様である。なお、セルから集電体がはみ出した長さは左右１ｍｍづつとした。
【０１８５】
実施例４の吸水層１１および集電体１ｂを図３４の（ａ）〜（ｃ）に示す。図３４の（ａ）はプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の集電体の断面図、（ｂ）は吸水層１１および集電体１ｂに酸素供給層側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は集電体を基準として吸水層１１とは反対側から吸水層１１および集電体１ｂにプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図、（ｄ）は開口部を含む平面と垂直な面で吸水層１１および集電体１ｂを切断した際の断面図である。
【０１８６】
また、実施例５の吸水層１１および集電体１ａを図３５の（ａ）〜（ｃ）に示す。図３５の（ａ）はプロトン伝導方向と垂直な面で集電体１ａを切断した際の断面図、（ｂ）は酸素供給層側から吸水層１１および集電体１ａにプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。（ｃ）は集電体を基準として吸水層１１とは反対側から吸水層１１および集電体１ａにプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図、（ｄ）は開口部を含む平面と垂直な面で吸水層１１および集電体１ａを切断した際の断面図である。
【０１８７】
図３４、３５に示す通り、実施例４及び実施例５の集電体の幅はセルの幅よりも大きく、セル外へとはみだしており、セル内のみならずセル外でも吸水層１１と集電体１ａとを接触させている。
【０１８８】
このとき、図３４の（ｄ）、図３５の（ｄ）に示すように、吸水層１１の端部を集電体１ａ、１ｂのはみ出した部分に巻きつけるように配置すると、同じはみ出し量で約二倍の面積の吸水層１１をセル外に配置することができ、スペース効率がよくなる。
【０１８９】
さらに、図３５の（ａ）に示すように、実施例５の集電体１ａ全体がはみ出した形状の場合は、実施例１〜４のように帯状ではなく、集電体１１のセル外にはみ出した部分全体に吸水層１１をはしごのような形状で配置できるので、さらにスペース効率がよくなる。
【０１９０】
集電体をセルからはみ出させて、吸水層と集電体とをセル外でも接触させる場合、上記のようにスペース効率がよくなるのみならず、発電時の熱を吸水層に供給することができるという利点がある。つまり、セル外の吸水層の吸水材料にセル内から熱を供給することにより、蒸散性が向上し、特に蒸散性が悪くなる高湿度雰囲気下での特性向上が見込まれる。
【０１９１】
この時、吸水層と集電体のはみ出した部分を熱伝導性両面テープで固定することにより、より効率よく熱を供給することができ、好適である。上記効果を確認するために、２５度Ｃ、相対湿度９０％の恒温恒湿槽に、実施例１、実施例４、実施例５、および比較例１のセルを置き、コンプレッサーなどの補器を用いない自然吸気で４００ｍＡ／ｃｍ２での定電流測定を行い、高湿度雰囲気下での耐フラッディング評価を行った。その結果を図３６に示す。
【０１９２】
比較例１の吸水層を有さない燃料電池セルがフラッディングにより電圧が大きく低下したのに対し、実施例１、４、５のセルは大きな電圧降下が見られず、高い耐フラッディング特性を示した。また、測定前後のセル重量変化からセル内残存水量を比較すると、比較例１が０．２３４ｇであったのに対し、実施例１は０．２３７ｇという値になった。また、実施例１では初期電圧が０．６３５Ｖであったのに対し、測定終了時は０．５７３Ｖとなり、０．１１６Ｖ、１８．３％の電圧降下が確認された。
【０１９３】
これに対して、実施例４及び５のセル内残存水分量は各々０．１４８ｇと０．１４４ｇとである。そして、実施例４では初期電圧が０．６４８Ｖであったのに対し、測定終了時は０．６０８Ｖであり、電圧降下は０．０４Ｖ、６．２％に抑えることができた。実施例５は、初期電圧が０．６２１Ｖであったのに対し、測定終了時は０．５６１Ｖであり、電圧降下は０．０６Ｖ、９．７％に抑えることができた。
【０１９４】
これらの結果より、２５度Ｃ、相対湿度９０％という高湿度雰囲気下では、実施例１のような構成のセルでも効果はあるものの、実施例４や５のようなより排水能力が高い吸水層を形成することがより好ましいと言える。これは、高湿度雰囲気下では吸水層の蒸散性が悪くなるため、実施例４や５のように、集電体がセル外へとはみ出し、はみ出した部分でも吸水層と集電体とを接触させることにより、発電により生じる熱を利用して吸水層中の水の蒸散を促進することができるためである。
【０１９５】
なお、実施例４の方が実施例５よりも高い電圧を示しているが、これは集電体１ｂがくし型形状になっていることによる効果だと考えられる。実施例５のように、集電体１ａの全体がはみ出している場合は集電体１ａの縁がひさしのような役割をしてしまい、ガスの拡散が阻害され、特性が低下する場合がある。
【０１９６】
これに対して、実施例４の場合は、集電体１ｂがくし型になっているため、はみ出し部とはみ出し部との間（くし部分とくし部分との間）から酸素の供給がなされ、ガスの拡散阻害を極力抑えることが可能となる。
【０１９７】
ただし、実施例５の場合は、集電体１ａの全体がはみ出していることにより、はみ出し量が少なくてもセル外に吸水層１１を配置する面積を大きく確保できる。
【０１９８】
つまり、同じ量の吸水層を配置するためのはみ出し量が実施例４よりも少なくてすむ。実際、同様の排水能力を有する実施例４及び５であるが、集電体のはみ出し量は実施例４より実施例５の方が少なく、よりコンパクトなセルが可能になる。つまり、より特性を重視するアプリケーションでは実施例４の構成の燃料電池セルを、よりセルサイズを重視するアプリケーションでは実施例５の構成の燃料電池セルを適宜選択できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９９】
【図１】第１実施形態の燃料電池の全体構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。
【図３】第１実施形態における膜電極接合体を開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。
【図４】第１実施形態において、吸水層が複数である場合の燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。
【図５】第１実施形態において、吸水層が複数である場合の吸水層および酸素供給層に集電体側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【図６】第１実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図７】第２実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図８】第２実施形態において吸水層が複数である場合の吸水層および酸素供給層に集電体側からプロトン伝導方向と平行な方向に光を照射した際の投影図である。
【図９】第３実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１０】第４実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１１】第５実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１２】第５実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である
【図１３】第６実施形態における燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１４】第６実施形態の集電体をプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１５】第６実施形態の集電体および吸水層に酸素供給層側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【図１６】第６実施形態の集電体および吸水層に燃料電池セル外部からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【図１７】第７実施形態の集電体をプロトン伝導方向と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図１８】第７実施形態の集電体および吸水層に酸素供給層側からプロトン伝導方向と平行な方向で光を照射した際の投影図である。
【図１９】第７実施形態の集電体および吸水層を開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図２０】第１比較形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と平行な面で切断した際の断面図である。
【図２１】第１比較形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図２２】第２比較形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図２３】第３比較形態の燃料電池セルを開口部を含む平面と垂直な面で切断した際の断面図である。
【図２４】実施例１における吸水層および酸素供給層を示す図である。
【図２５】実施例２における吸水層および酸素供給層を示す図である。
【図２６】実施例１、実施例２および比較例１の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図２７】実施例３における吸水層および酸素供給層を示す図である。
【図２８】実施例３と比較例１の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図２９】比較例２における吸水層および酸素供給層を示す図である。
【図３０】実施例１と比較例２の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図３１】比較例３における吸水層および酸素供給層を示す図である。
【図３２】実施例１と比較例３の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図３３】実施例１と比較例３の燃料電池セルの性能を示す図である。
【図３４】実施例４における集電体および吸水層を示す図である。
【図３５】実施例５における集電体および吸水層を示す図である。
【図３６】実施例１、実施例４、実施例５および比較例１の燃料電池セルの性能を示す図である。
【符号の説明】
【０２００】
１、１ａ、１ｂ  集電体
２、１０２  酸素供給層
３、１０３  拡散層
４、１０４  発電層部材（膜電極接合体）
５、１０５  拡散層
６、１０６  燃料供給層
８、１０８  開口部
７、９、１０１、１０７、１０９  セパレータ
１０  燃料電池
１０Ａ  セルスタック
１０Ｂ  燃料タンク
１０Ｓ、２０Ｓ、３０Ｓ、４０Ｓ、５０Ｓ、６０Ｓ、１００Ｓ、１１０Ｓ、１２０Ｓ  燃料電池セル
１１、１１ａ、１１Ｄ、１１０  吸水層
１２  電解質膜
１３  触媒層（燃料極）
１４  触媒層（酸素極）
１５  貫通孔
１５Ｈ  非貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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